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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA
INTEGRACIÓN DE RECURSOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDOS EN
EDIFICACIONES MEDIANTE MATLAB.
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO ELECTRÓNICO
AUTORES:
Carlos Efraín Minchala Yarigsichi.
Manuel Godoy Ramón.
TUTOR:
Ing. Jorge Luis Rojas Espinoza. Mer.
Cuenca, Junio 2016.
ii
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
Nosotros, Carlos Efraín Minchala Yarigsichi, con documento de identificación
N° 0103948121 y Manuel Godoy Ramón, con documento de identificación N°
105613608, manifiesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica
Salesiana la titularidad sobre los derechos patrimoniales en virtud de que soy autor
del trabajo de grado intitulado “IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO DE
SIMULACIÓN PARA LA INTEGRACIÓN DE RECURSOS DE GENERACIÓN
DISTRIBUIDOS EN EDIFICACIONES MEDIANTE MATLAB.”, mismo que ha
sido desarrollado para optar por el título de: Ingeniero Electrónico, en la
Universidad Politécnica Salesiana, quedando la Universidad facultada para
ejercer plenamente los derechos cedidos anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi
condición de autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada. En
concordancia, suscribo este documento en el momento que hago entrega del
trabajo final en formato impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad
Politécnica Salesiana.
iii
DERECHOS DE AUTOR
Los autores son los únicos responsables por los contenidos, conceptos, ideas,
análisis, resultados investigativos y manifestados en el presente proyecto técnico
“IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA
INTEGRACIÓN DE RECURSOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDOS EN
EDIFICACIONES MEDIANTE MATLAB.”
A través de la presente declaración, cedemos los derechos de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana según lo
establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y normativa
vigente.
Cuenca, Junio de 2016
iv
CERTIFICACIÓN
En calidad de DIRECTOR DEL PROYECTO TECNICO “IMPLEMENTACIÓN
DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA INTEGRACIÓN DE RECURSOS
DE GENERACIÓN DISTRIBUIDOS EN EDIFICACIONES MEDIANTE
MATLAB.”, elaborada por CARLOS EFRAÍN MINCHALA YARIGSICHI y
MANUEL GODOY RAMÓN, declaro y certifico la aprobación del presente trabajo
de tesis basándose en la supervisión y revisión de su contenido.
Cuenca, junio de 2016
TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
v
DEDICATORIA
El presente trabajo está dedicado de manera especial a mis padres María y Blas en
quienes siempre encontré apoyo y confianza a pesar de las innumerables derrotas,
también está dedicado a mis hermanas, amigos, compañeros y a mí gran amigo Juan
Naula, con quienes compartí momentos alegres y tristes a lo largo de mi vida
universitaria.
Carlos Minchala
Dedico el siguiente trabajo a toda mi familia de manera especial mis padres
Jesús y Clara, y también a mis hermanos ya que sin el apoyo incondicional brindado
por cada uno de ellos en todo momento de mi trayectoria universitaria no lo hubiera
culminado con éxito. De manera especial a mi padre que en paz descansa quien
durante los primeros años de mi carrera me brindó todo su apoyo. También
gradezco a la familia Flores Montesdeoca y mis compañeros quienes durante esta
trayectoria me brindaron su apoyo.
Manuel Godoy R.
vi
AGRADECIMIENTOS
De manera especial al Ing. Jorge Rojas por la dedicación mostrada al dirigir
nuestro proyecto de titulación desde su inicio hasta su exitosa culminación.
Además un sincero agradecimiento a todos los profesores, compañeros y amigos
que a lo largo de la carrera nos brindaron su apoyo.
Carlos E. Minchala Y. – Manuel Godoy R.
vii
TABLA DE CONTENIDO
1. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................ 2
1.1. Generación distribuida .................................................................................................... 2
1.2. Generación distribuida en Ecuador ................................................................................. 2
1.3. Factores en los que se basa la generación distribuida ..................................................... 3
1.3.1. Factores técnicos de la generación distribuida ......................................................... 4
1.3.2. Factores tecnológicos de la generación distribuida ................................................. 4
1.3.3. Aspectos económicos de la generación distribuida .................................................. 4
1.4. Recursos ambientales en el Ecuador ............................................................................... 5
1.4.1. Solar .......................................................................................................................... 5
1.4.2. Eólica ........................................................................................................................ 5
1.4.3. Hídrico ...................................................................................................................... 5
1.4.4. Biomasa .................................................................................................................... 5
1.5. Modalidades de generación distribuida ........................................................................... 6
1.5.1. Sistemas interconectados a la red eléctrica .............................................................. 6
1.6. Tecnologías utilizadas en la generación distribuida para la generación
eléctrica ....................................................................................................................................... 8
1.6.1. Generador eólico ...................................................................................................... 8
1.6.2. paneles fotovoltaicos. ............................................................................................... 9
1.6.3. Biomasa .................................................................................................................. 11
1.6.4. colectores térmicos. ................................................................................................ 13
1.7. Ventajas de la generación distribuida ............................................................................ 14
1.8. Barreras de la generación distribuida. .......................................................................... 14
1.9. Proyectos de generación distribuida en el Ecuador ....................................................... 15
1.10. Regulación de la generación distribuida en Ecuador .................................................. 15
1.11. Generadores diésel ...................................................................................................... 17
1.12. Acumuladores. ............................................................................................................. 17
1.12.1. Tipos de baterías ................................................................................................... 18
2. MODELO MATEMÁTICO DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN
DISTRIBUIDA ............................................................................................................................. 19
2.1. Modelo Matemático del panel fotovoltaico ................................................................... 19
2.1.1. Nomenclatura empleada para el modelo del panel fotovoltaico. ........................... 19
2.2. Modelo matemático de turbina eólica. .......................................................................... 22
2.2.1. Nomenclatura empleada en el modelo matemático. ............................................... 22
viii
2.2.2. Densidad del Aire. .................................................................................................. 25
2.3. Modelo matemático de un generador trifásico síncrono de rotor de polos
salientes ..................................................................................................................................... 26
3. DATOS DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA ..................................................................................................... 29
3.1. Levantamiento y recopilación de información de consumo de energía
eléctrica de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca. ............................................... 29
3.1.1. Recopilación de información del consumo de la Universidad
Politécnica Salesiana sede Cuenca. ....................................................................................... 29
3.2. Consumo energético del transformador 1860. .............................................................. 30
3.2.1. Consumo del edificio “Cornelio Merchán”. .......................................................... 31
3.2.2. Consumo del edificio “Mario Rizzini”. .................................................................. 31
3.2.3. Consumo total del transformador 1860 .................................................................. 31
Capítulo 4 ................................................................................................................................. 33
4. DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA LA SIMULACIÓN ........................................ 33
4.1. Planteamiento de variables para el sistema fotovoltaico y eólico ................................. 33
4.1.1. Temperatura (°C) .................................................................................................... 33
4.1.2. Irradiación solar ( ) ................................................................................................ 34
4.1.3. Velocidad del viento ........................................................................................ 35
4.1.4. Planteamiento de variables para el sistema auxiliar de generación por
diésel. .................................................................................................................................... 36
4.1.5. Diagrama de bloques del modelo de simulación para la integración de
recursos de generación distribuida. ....................................................................................... 37
4.2. Implementación del software de simulación ................................................................. 38
4.2.1. Panel fotovoltaico ................................................................................................... 38
4.2.2. Aerogenerador. ....................................................................................................... 39
4.2.3. Generaor diesel. ...................................................................................................... 40
4.3. Validación del Sistema. ................................................................................................. 40
4.3.1. Validación de paneles fotovoltaicos ....................................................................... 40
4.3.2. Validacion del generador micro eólico. ................................................................. 41
5. PRUEBAS DEL MODELO DE SIMULACIÓN BASADA EN ESCENARIOS ............... 45
5.1. Propuesta de generación con el sistema. ...................................................................... 45
5.2. Determinación de módulos fotovoltaicos para escenarios. .......................................... 46
5.2.1. Selección de módulos para sistema fotovoltaico. ................................................... 46
ix
5.3. Determinación del número de paneles o módulos fotovoltaicos. .................................. 47
5.3.1. Determinación de módulos en serie y paralelo ...................................................... 48
5.4. Selección del micro generador eólico. .......................................................................... 49
5.4.1. Fd3.6- 2000 de turbina de viento ............................................................................ 49
5.4.2. Inversor BZS-2000W ............................................................................................. 50
5.5. Análisis del Escenario 1 ................................................................................................ 50
5.6. Análisis del Escenario 2 ................................................................................................ 53
5.7. Análisis del Escenario 3 ................................................................................................ 56
5.8. Análisis del Escenario 4 ................................................................................................ 60
5.9. Análisis del Escenario 5 ................................................................................................ 64
5.10. Resumen de los escenarios. ......................................................................................... 69
6. ANÁLISIS ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA INTEGRACIÓN
ENERGÉTICA DE RECURSOS DISTRIBUIDOS EN LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA, FRENTE A SISTEMAS
CONVENCIONALES. ................................................................................................................. 70
6.1. Análisis de Impacto ambiental. ..................................................................................... 70
6.2. Pliego tarifario Agencia de regulación y Control de Electricidad
(ARCONEL) para el periodo 2016. .......................................................................................... 71
6.3. Consumo eléctrico de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca .................... 72
6.4. Cálculo de consumo del Transformador 1860. ............................................................. 73
6.4.1. Costo energético del Transformador 1860 de la Universidad
Politécnica Salesiana sede Cuenca. ....................................................................................... 73
6.5. Costo de equipos para montaje de sistema distribuido. ................................................. 75
6.5.1. Costo de sistema fotovoltaico. ................................................................................ 75
6.5.2. Costo de sistema mini eólico. ................................................................................. 75
6.5.3. Costo total de equipos. ........................................................................................... 75
6.6. Costo por energía cada escenario. ................................................................................ 76
6.6.1. Análisis de costo energético de los escenarios. ...................................................... 76
6.7. Análisis de costos energético total por cada mes. ......................................................... 76
6.8. Análisis de la rentabilidad tir y van. .............................................................................. 77
6.8.1. VAN (Valor actualizado neto) ............................................................................... 77
6.8.2. TIR (Tasa interna de retorno) ................................................................................. 77
6.8.3. Ingresos y Egresos del sistemafotovoltaico. .......................................................... 77
6.8.4. Ingreos y Egresos del mini eólico. ........................................................................ 79
x
6.8.5. Ingreos y Egresos total del sistema. ....................................................................... 80
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 82
8. Recomendaciones. ................................................................................................................ 85
9. REFERENCIAS ................................................................................................................... 86
10. ANEXOS. ........................................................................................................................... 90
10.1. Anexo 1. ...................................................................................................................... 90
10.2. Anexo 2. ...................................................................................................................... 91
10.3. Anexo 3. ...................................................................................................................... 92
10.4. Anexo 4. ...................................................................................................................... 93
10.5. Anexo 5. ...................................................................................................................... 93
10.5.1. Cálculo de módulos en serie y paralelo ............................................................... 93
10.6. Anexo 6. ...................................................................................................................... 95
xi
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Potencia por tipo de central (MEER y ARCONEL 2014) ........................................... 4
Tabla 2. Tipo de baterías con sus características básicas. (Diaz T y Carmona G
2010) ............................................................................................................................................. 18
Tabla 3. Factor de linealidad (A). (Singla y Kumar 2013) ....................................................... 20
Tabla 4. Coeficientes para obtener valores de (Cp.) ................................................................ 23
Tabla 5. Constantes utilizadas para obtener la densidad del aire ............................................. 25
Tabla 6. Demanda energética de la Universidad Politécnica Salesiana sede
Cuenca 2015. ................................................................................................................................. 30
Tabla 7. Consumo total del edificio Cornelio Merchán ........................................................... 31
Tabla 8. Consumo total del edificio Mario Rizzini .................................................................. 31
Tabla 9. Consumo total del transformador 1860 ...................................................................... 32
Tabla 10. Especificaciones técnicas Sunnily X-600. ............................................................... 42
Tabla 11. Escenarios en los cuales se analiza la potencia generada por los sistemas
de generación distribuida .............................................................................................................. 45
Tabla 12. Propuesta de generación mensual por el sistema. .................................................... 45
Tabla 13. Propuesta de generación por sistemas ...................................................................... 46
Tabla 14. Número paneles y arreglos fotovoltaico del sistema propuesto ............................... 48
Tabla 15. Sistema mini eólico .................................................................................................. 50
Tabla 16. Resumen de cada escenario y la generación total década uno. ................................ 69
Tabla 17. Consumo energético del Trasformador 1860. ......................................................... 70
Tabla 18 Pliego tarifario general de baja tensión con registrador de demanda.
(ARCONEL Enero- Diciembre,2016) .......................................................................................... 71
Tabla 19. Detalle de Factura del Cliente .................................................................................. 72
Tabla 20. Detalle de consumo del mes de abril 2016. .............................................................. 72
Tabla 21. Detalle de Factura del mes de Abríl 2016 ................................................................ 73
Tabla 22. Detalle de consumo del mes de abril 2016. .............................................................. 73
Tabla 23. Detalle de costo de energía del mes de abril 2016. .................................................. 74
Tabla 24. Detalle de costo de energía para alumbrado público del mes de abril
2016. .............................................................................................................................................. 74
Tabla 25. Detalle del costo total a pagar del mes de abril del 2016 ......................................... 75
Tabla 26. Precios sistema fotovoltaico. .................................................................................... 75
Tabla 27. Precios del sistema mini eólico ................................................................................ 75
Tabla 28. Precio total del sistema fotovoltaico más el sistema mini eólico. ............................ 75
xii
Tabla 29. Costo por energía de cada escenario. ....................................................................... 76
Tabla 30. Costo mensual de cada mes. ..................................................................................... 76
Tabla 31. Costo del sistema fotovoltaico. .............................................................................. 78
Tabla 32. Costo por mantenimiento de los sistemas fotovoltaico y mini eólico. ..................... 78
Tabla 33. Costo de energía por año que se deja de percibir. .................................................... 78
Tabla 34. Análisis del TIR y el VAN ....................................................................................... 78
Tabla 35. Costo del sistemas mini eólico. ............................................................................... 79
Tabla 36. Costo por mantenimiento de los sistemas fotovoltaico y mini eólico. ..................... 79
Tabla 37. Costo de energía por año del sistema ....................................................................... 79
Tabla 38. Análisis del TIR y el VAN ....................................................................................... 80
Tabla 39. Costo total de los sistemas. ...................................................................................... 80
Tabla 40. Egreso total del sistema ............................................................................................ 80
Tabla 41. Costo de energía por año .......................................................................................... 81
Tabla 42. Análisis del TIR y el VAN ....................................................................................... 81
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Red de generación distribuida. (C. N. CONELEC 2012) .......................................... 2
Figura 2. Demanda de energía a nivel mundial. (REN21. 2012) .............................................. 3
Figura 3. Sistema fotovoltaico suministrando energía a la red eléctrica. (Perpiñán
O. 2015) .......................................................................................................................................... 7
Figura 4. Sistema distribuido que intercambia energía con la red eléctrica.
(Chuqui M. 2014) ............................................................................................................................ 7
Figura 5. Centro amazónico con energía fotovoltaica. (M. d. MEER 2016) ............................ 8
Figura 6. Aerogeneradores del parque nacional Villonaco. (M. d. MEER 2016) ..................... 8
Figura 7. Célula fotovoltaica. (Diaz T y Carmona G 2010) ...................................................... 9
Figura 8. Panel construido con Silicio monocristalino. (REN21. 2012) ................................. 10
Figura 9. Panel construido con Silicio policristalino (REN21. 2012) ..................................... 11
Figura 10. Panel construido con Silicio amorfo. (REN21. 2012) ........................................... 11
Figura 11. Ciclo de generación de biomasa. (ARCONEL Enero- Diciembre,2016) .............. 12
Figura 12. Clasificación de la biomasa ................................................................................... 13
Figura 13. Sistema solar térmico. (Fenercom 2007) ............................................................... 13
Figura 14. Circuito equivalente de una célula solar. ............................................................... 19
Figura 15. Esquema del modelo matemático de un panel fotovoltaico. .................................. 21
Figura 16. Ráfaga de aire en un aerogenerador. (Hernández A 2008) .................................... 22
Figura 17. Esquema del modelo matemático de la turbina eólica. .......................................... 24
Figura 18. Esquema del modelo matemático de la densidad del aire. ..................................... 25
Figura 19. Esquema del modelo matemático del generador diésel. ........................................ 27
Figura 20. Curva de Demanda energética del año 2015 de la Universidad
Politécnica Salesiana Sede Cuenca. .............................................................................................. 30
Figura 21. Temperatura promedio ambiente del año 2015 (Datos INER-UPS) ..................... 33
Figura 22. Temperatura ambiente del mes de enero del año 2015 (Datos INER-
UPS) .............................................................................................................................................. 34
Figura 23. Radiación solar global promedio del año 2015 (Datos INER-UPS) ...................... 34
Figura 24. Radiación solar global del mes de enero del año 2015 (Datos INER-
UPS) .............................................................................................................................................. 35
Figura 25. Velocidad del viento promedio del año 2015 (Datos INER-UPS) ........................ 35
Figura 26. Velocidad del viento del mes de enero del año 2015 (Datos INER-
UPS) .............................................................................................................................................. 36
xiv
Figura 27. Diagrama de bloques del simulador de generación de recursos
distribuidos .................................................................................................................................... 37
Figura 28. Diagrama de bloques de la composición interna del panel fotovoltaico. .............. 38
Figura 29. Diagrama de bloques de la composición interna del aerogenerador. ..................... 39
Figura 30. Diagrama de bloques de la composición interna del generador Diésel ................. 40
Figura 31. Datos técnicos del panel SIMAX 660 (Ver anexo 1) ............................................ 41
Figura 32. Curvas obtenidas del modelo variando la irradiancia solar. ................................. 41
Figura 33. Curva de potencia con respecto a la velocidad Sunnily X-600 (Ver
anexo 2) ......................................................................................................................................... 42
Figura 34. Coeficiente de rendimiento Cp con respecto a lambda. ........................................ 43
Figura 35. Curva de potencia de salida con respecto a la velocidad del viento. ..................... 43
Figura 36. Modelo de simulación que integra sistemas de generación distribuida
conformada por: sistema fotovoltaico, sistema eólico y sistema de generación a
diésel. ............................................................................................................................................ 44
Figura 37. SIMAX 156 Solar module (SM660-230W) (Ver anexo 1) ................................... 46
Figura 38. BZP-5KW (Ver anexo 2) ....................................................................................... 47
Figura 39. Calculadora para obtener el número de paneles del sistema .................................. 49
Figura 40. Fd3.6- 2000 de turbina de viento (ver anexo 3) ..................................................... 49
Figura 41. Inversor BZS-2000W (ver anexo 4) ...................................................................... 50
Figura 42. Datos de irradiación y Temperatura durante de febrero del año 2015. .................. 51
Figura 43. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015. ..................... 51
Figura 44. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero
del 2015. ........................................................................................................................................ 52
Figura 45. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015. ........................................................................................................................................ 52
Figura 46. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida. .................................................................................................................................... 53
Figura 47. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink. ........................................................................................ 53
Figura 48. Datos de irradiación y Temperatura durante de julio del año 2015. ...................... 54
Figura 49. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de julio del 2015 .......................... 54
Figura 50. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de julio del
2015. .............................................................................................................................................. 55
xv
Figura 51. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de julio
del 2015. ........................................................................................................................................ 55
Figura 52. Potencia total obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida. .................................................................................................................................... 56
Figura 53. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink. ........................................................................................ 56
Figura 54. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante el mes
de febrero del año 2015. ................................................................................................................ 57
Figura 55. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015 ...................... 57
Figura 56. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero
del 2015 ......................................................................................................................................... 58
Figura 57. Potencia eólica generada durante el mes de febrero del 2015. ............................. 58
Figura 58. Potencia eólica generada promedio por día del mes de febrero del
2015. .............................................................................................................................................. 59
Figura 59. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015. ........................................................................................................................................ 59
Figura 60. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida. .................................................................................................................................... 60
Figura 61. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink. ........................................................................................ 60
Figura 62. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante de
julio del año 2015. ......................................................................................................................... 61
Figura 63. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de julio del 2015. ......................... 61
Figura 64. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de julio del
2015. .............................................................................................................................................. 62
Figura 65. Potencia eólica generada durante el mes de julio del 2015. ................................. 62
Figura 66. Potencia eólica generada promedio por día del mes de julio del 2015. ............... 63
Figura 67. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de julio
del 2015. ........................................................................................................................................ 63
Figura 68. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida. .................................................................................................................................... 64
Figura 69 Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink. ........................................................................................ 64
xvi
Figura 70. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante de
febrero del año 2015...................................................................................................................... 65
Figura 71. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015. ..................... 65
Figura 72. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero
del 2015. ........................................................................................................................................ 66
Figura 73. Potencia eólica generada durante el mes de febrero del 2015. ............................. 66
Figura 74. Potencia eólica generada promedio por día del mes de febrero del
2015. .............................................................................................................................................. 67
Figura 75. Potencia producida por el generador diese de 10kW. ........................................... 67
Figura 76. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015. ........................................................................................................................................ 68
Figura 77. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida. .................................................................................................................................... 68
Figura 78. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink. ........................................................................................ 69
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
UPS: Universidad Politécnica Salesiana
ARCONEL: Agencia de Regulación y control de electricidad.
EERCS: Empresa Eléctrica regional Centro Sur
MEER: Ministerio de Electricidad y Energías Renovables
GD: Generación Distribuida
DC: Corriente Directa
AC: Corriente Alterna
UDS: Dólares de los Estados Americanos.
CO2: Dióxido de carbono
MAE: Ministerio del Ambiente
CONELEC: Consejo Nacional de Electricidad
INTRODUCCIÓN
La red eléctrica en el Ecuador actualmente debe responder a la creciente demanda
por parte de los consumidores, ya sea por la utilización de nuevos dispositivos
electrónicos, o la utilización de cocinas de inducción. Debido a este elevado
consumo de energía se ha planteado desarrollar redes eléctricas inteligentes, dentro
de las cuales consta la generación distribuida (GD).
La generación distribuida pretende que cada vivienda, edificio o industria
disponga de su propio sistema de generación de energía basado en energías
renovables como: solar fotovoltaico, solar térmico o eólica, para de esta manera
lograr cubrir las necesidades energéticas.
En el presente trabajo se pretende realizar un modelo de simulación para la
generación distribuida mediante la utilización de simulink en Matlab para lo cual se
empleará:
La climatología de la zona bajo estudio.
La velocidad del viento en la zona donde se encuentra emplazado el edificio.
La radiación solar en la zona.
La energía consumida por el edificio en estudio.
ANTECEDENTES
En el Ecuador actualmente se está impulsando el uso eficiente de la energía; para
de esta manera reducir las emisiones contaminantes, reforzar la seguridad y la
calidad del suministro de energía eléctrica; es por ello que se pretende desarrollar las
denominadas redes eléctricas inteligentes.
Las redes eléctricas inteligentes tienen como objetivo integrar todas las acciones
de los usuarios conectados a ella, lo cuales van desde los generadores hasta
consumidores, para distribuir de una manera eficiente y segura el suministro
eléctrico.
Previo a las redes eléctricas inteligentes, es necesario incorporar al sistema
eléctrico la generación distribuida, la cual tiene como objetivo suministrar energía a
la red o satisfacer las necesidades energéticas propias del sistema. La energía
generada puede ser proveniente de energías renovables como: solar fotovoltaico,
solar térmico o eólica.
1
JUSTIFICACIÓN
En Ecuador actualmente se encuentra promoviendo el uso de energías renovables
no convencionales para la generación de energía eléctrica, retomando de esta manera
un conocido concepto como lo es la generación distribuida, la cual consiste en
generar energía eléctrica cerca al centro de consumo, aprovechando para ello las
condiciones naturales que dada a su posición geográfica posee el Ecuador como es el
caso de la energía solar y eólica. También cabe señalar que al ser el Ecuador un país
con una elevada producción agrícola, otro tipo de materia prima para la generación
de energía eléctrica es la biomasa, la cual está siendo empleada en ingenios
azucareros.
Por estos motivos cobra importancia implementar un modelo de simulación para
la integración de recursos distribuidos que permita conocer la cantidad de energía
que se puede generar en un determinado sitio, de los cuales se conozca previamente
las condiciones climáticas como la radiación solar y la velocidad del viento, para de
esta manera establecer si es factible o no realizar la implementación de un sistema de
generación solar y eólico en un determinado lugar.
2
CAPÍTULO 1
1. ESTADO DEL ARTE
1.1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA
La generación distribuida tiene como principal objetivo la obtención de energía
eléctrica mediante pequeñas fuentes de energía renovables las mismas que pueden
ser solar, eólica, instaladas cerca del centro de consumo, por lo que se trata de una
generación descentralizada, consiguiendo con esto reducir las pérdidas de energía al
momento de la distribución, y la contaminación ambiental. (Chuqui M. 2014)
1.2. GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN ECUADOR
En el Ecuador la producción de energía eléctrica proviene de fuentes renovables y
no renovables, en el caso de las renovables se posee centrales hidroeléctricas,
fotovoltaicas, eólicas y biomasa. La producción de energía eléctrica que tiene como
fuente primaria la biomasa, se encuentran en los ingenios azucareros que en estos
lugares emplean el bagazo de caña como combustible, logrando de esta manera la
generación eléctrica cerca del centro de consumo. (Chuqui M. 2014)
Actualmente en el Ecuador debido al cambio de la matriz energética, se encuentra
promoviendo el desarrollo y el uso de recursos energéticos no convencionales, de los
cuales los sistemas que más repunte han tenido es el fotovoltaico y el eólico debido a
la posición geográfica del Ecuador.
Figura 1. Red de generación distribuida. (C. N. CONELEC 2012)
3
1.3. FACTORES EN LOS QUE SE BASA LA GENERACIÓN
DISTRIBUIDA
Con el resurgimiento de un antiguo concepto de la industria eléctrica como lo es
la generación distribuida se debe tener en cuenta que el mismo abarca factores tales
como técnicos, ambientales, económicos y tecnológicos. (Chuqui M. 2014)
A nivel mundial la generación de energía eléctrica actualmente tiene como su
mayor fuente primara a los provenientes de combustibles fósiles.
Según el GLOBAL STATUS REPORT publicado en el año 2012 la mayor
producción de energía eléctrica a nivel mundial, tiene como fuente primaria a los
combustibles fósiles, dejando en segundo lugar a las fuentes renovables, y en tercer
lugar a las nucleares. Dentro de las fuentes renovables encontramos que el 8.5% tiene
como fuente primaria a la biomasa, un 8.2% proviene de otros tipos de fuente
primaria como: solar, geotérmica, viento, fuerza hidráulica, biocombustibles.
(REN21. 2012)
Figura 2. Demanda de energía a nivel mundial. (REN21. 2012)
En lo referente a Ecuador la generación de energía eléctrica actualmente consta de
dos fuentes primarias en las que encontramos las renovables, y las no renovables.
Dentro de las renovables el país posee centrales eólicas, fotovoltaicas, hidráulicas,
térmica turbovapor; con una potencia nominal de 2.439,95MW que representa el
42.57% de la producción energética del país. Dentro de las centrales de tipo no
renovables se tiene: térmica MCI, térmica turbogas, térmica turbovapor alcanzando
una producción de 3.291,58MW lo que representa un 57.43% de la producción
energética. (MEER y ARCONEL 2014)
4
Tabla 1. Potencia por tipo de central (MEER y ARCONEL 2014)
1.3.1. FACTORES TÉCNICOS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA
En la actualidad las innovaciones que se han producido en la electrónica así como
en dispositivos de almacenamiento de energía, y reducción de costos de los mismos,
hace más factible la instalación de pequeñas plantas generadoras de energía en
edificios, hogares o empresas, para de esta manera cubrir un porcentaje de la
demanda de energía, o en el caso de sectores donde no exista red eléctrica
convencional, poder brindar este servicio. (Yadaicela J 2011)
1.3.2. FACTORES TECNOLÓGICOS DE LA GENERACIÓN
DISTRIBUIDA
Un factor que está influenciando a que la generación distribuida pueda ser más
aplicable es el de modularidad, mediante el cual el tamaño de los sistemas puede
crecer para conseguir la potencia que se requiera, esto se logra agregando o quitando
unidades, y debido a que la tecnología que se utiliza en la generación distribuida es
pequeña se puede fabricar por unidades modulares. (Yadaicela J 2011)
1.3.3. ASPECTOS ECONÓMICOS DE LA GENERACIÓN
DISTRIBUIDA
Los sistemas de generación centralizada representan una inversión económica
elevada ya que se debe generar, transportar, y distribuir; también se debe considerar
los gastos de operación, mantenimiento y readecuaciones que la red pueda necesitar,
lo que representa una clara desventaja de estos sistemas con respecto a los sistemas
de generación distribuidos en los cuales la generación se realiza cerca del centro de
consumo, con lo cual se reduce el costo por transporte y distribución. (Yadaicela J
2011)
5
1.4. RECURSOS AMBIENTALES EN EL ECUADOR
Los recursos ambientales que pueden ser explotados mayormente en el país son:
solar, eólico, biomasa e hídrica según el ARCONEL.
1.4.1. SOLAR
El Ecuador por su situación geográfica posee una gran ventaja, ya que los rayos
solares caen de manera casi perpendicular durante la mayor parte del año, situación
que no poseen otros países ubicados al norte o sur del continente en los que la
incidencia solar varía con las estaciones del año.
Para la producción de energía eléctrica por medio de este tipo de fuente primaria
se necesita una incidencia solar perpendicular de 5,2 horas diarias lo cual es muy
factible para el país dado que el Ecuador tiene 6 horas de luz directa cada día.
(Chuqui M. 2014), (Moya V 2012)
1.4.2. EÓLICA
La energía eólica emplea la energía cinética del viento para producir energía
eléctrica por medio de un aerogenerador. Actualmente este tipo de fuente renovable
ha tenido un gran crecimiento.
En Ecuador la presencia de los Andes y la cercanía con el océano Pacífico permite
que existan zonas con potencial eólico con los cuales se pueden emprender
proyectos a pequeña escala. (Chuqui M. 2014)
1.4.3. HÍDRICO
El Ecuador es un país con gran cantidad de recursos hídricos que en mayor
cantidad tienen como origen la cordillera de los Andes, los cuales pueden tomar dos
destinos diferentes como; los que atraviesan el litoral Ecuatoriano y desembocan en
el océano Pacífico, y los que tienen como destino las llanuras amazónicas, para
después a través de otras corrientes desembocar en el océano Atlántico. (Chuqui M.
2014)
1.4.4. BIOMASA
6
En cuanto a biomasa el Ecuador es un país con un gran potencial en el sector
agrícola en el cual se produce; plátano, caña de azúcar, palma africana, arroz por
citar algunos casos. Al entrar estos productos en su etapa de cosecha y posterior
procesamiento se genera una gran cantidad de desechos orgánicos, los cuales pueden
ser usados como fuentes primarias de energía.
1.5. MODALIDADES DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA
La generación distribuida tiene como objetivo formar parte de las redes eléctricas
existentes para de esta manera ayudar a la red a cubrir los niveles de potencia
requeridos por parte de los abonados, aunque también se puede disponer de una
generación distribuida para cubrir las necesidades propias del abonado, y de esta
manera no están conectadas a ninguna red eléctrica existente, teniendo de esta
manera dos tipos de conexiones existente en las redes de generación distribuida
como son; sistemas interconectados a la red, y los sistemas aislados de la red.
1.5.1. SISTEMAS INTERCONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
Los sistemas de generación distribuida que están conectados a red pueden tomar
energía de la misma en ciertos momentos en los cuales la demanda de energía lo
requiera; así también podrían suministrar energía a la red en momentos en los cuales
la demanda de energía por parte de su carga sea baja. (Chuqui M. 2014)
Dentro de los sistemas interconectados a la red tenemos dos tipos los cuales son;
sistemas que entregan energía a la red, y sistemas que intercambian energía con la
red.
Sistemas interconectados que entregan energía a la red
Los sistemas distribuidos que entregan energía a la red, se caracterizan por
suministrar toda la energía producida, logrando una elevada eficiencia y
confiabilidad, a más de que su costo y tiempo de construcción son menores.
(Chuqui M. 2014)
7
Figura 3. Sistema fotovoltaico suministrando energía a la red eléctrica. (Perpiñán
O. 2015)
Sistemas de G.D. que intercambian energía con la red eléctrica
En estos tipos de sistemas los abonados están en la capacidad de consumir energía
de la red convencional, o vender energía en el caso de obtener excedentes de su
producción energética proveniente de fuentes renovables. (Chuqui M. 2014)
Figura 4. Sistema distribuido que intercambia energía con la red eléctrica. (Chuqui
M. 2014)
Sistemas aislados de la red eléctrica
Los sistemas de generación distribuida que se encuentran aislados de la red, tienen
como objetivo principal cubrir las necesidades energéticas de un determinado centro
de consumo, los cuales suelen estar en lugares remotos que se encuentran por lo
general en el sector rural, o en la región amazónica del país. (Chuqui M. 2014).
8
Figura 5. Centro amazónico con energía fotovoltaica. (M. d. MEER 2016)
En la actualidad también se dispone de sistemas de generación distribuida aisladas
de la red para suministrar energía eléctrica a radares para el control de velocidad en
autopistas, semáforos, o sistemas de control de autobuses en las ciudades.
1.6. TECNOLOGÍAS UTILIZADAS EN LA GENERACIÓN
DISTRIBUIDA PARA LA GENERACIÓN ELÉCTRICA
1.6.1. GENERADOR EÓLICO
Los aerogeneradores producen energía eléctrica aprovechando para esto la energía
cinética proveniente del viento, pero dependen de las condiciones atmosféricas por
lo cual resultan muy variables, por lo tanto se deben emprender exhaustivos estudios
de velocidad y dirección del viento en los lugares donde se pretenda emplazar un
proyecto con este tipo de tecnología. (Fenercom 2007)
Figura 6. Aerogeneradores del parque nacional Villonaco. (M. d. MEER 2016)
9
Para la conversión de energía mecánica producida por el aerogenerador a energía
eléctrica, se emplean dos tipos de tecnologías en lo que se refiere a generadores; los
cuales pueden ser síncronos o asíncronos.
Tipos de aerogeneradores
Dentro de los tipos de aerogeneradores se tienen los generadores de eje horizontal,
y los de eje vertical.
Aerogeneradores de eje horizontal; Este tipo de aerogeneradores son los
más empleados actualmente ya que su eje de rotación está en paralelo con el
suelo, este tipo de aerogeneradores son más costosos y no pueden soportar
grandes velocidades de viento, pero son más eficaces que los de eje vertical.
Aerogeneradores de eje vertical; Una de sus principales características es
que su eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo
1.6.2. PANELES FOTOVOLTAICOS.
Denominado también célula solar es la encargada de convertir a energía solar en
energía eléctrica, a través del efecto foto eléctrico; este dispositivo está elaborado de
materiales semiconductores de forma similar a un diodo, donde la parte N está
expuesta a la luz solar, mientras que la parte P se encuentra en la zona de oscuridad.
Para la obtención de la intensidad, así como el voltaje, la célula solar posee
terminales conectados en el semiconductor N y P, en el semiconductor N el contacto
tiene forma de peine a fin de que la radiación solar sea captada por el semiconductor,
mientras que el semiconductor tipo P el contacto metálico cubre toda la zona.
(Fernández Ferichola Julio 2009)
Figura 7. Célula fotovoltaica. (Diaz T y Carmona G 2010)
10
Para la obtención de voltaje y corriente las células pueden ser conectas en serie o
paralelo. Si se realiza una conexión en paralelo la corriente obtenida se la suma de la
corriente producida por cada célula, mientras que el voltaje será el equivalente a una
sola célula; mientras que al conectar las células solares en serie obtendremos una
corriente equivalente a una sola célula solar, mientras que el voltaje total será la
suma de cada uno de los voltajes de las células solares. (Diaz T y Carmona G 2010)
Tipos de paneles fotovoltaicos
Dentro del mercado actual existen dos tipos de células como son las de silicio
cristalino y silicio multi cristalino, las cuales son capaces de producir un voltaje de
0.5 voltios con una corriente de durante un día de sol promedio.
Los tipos de paneles solares se establecen según la tecnología empleada para su
fabricación de los cuales se destacan los siguientes: (REN21. 2012)
Silicio monocristalino
Este tipo de panel solar se encuentra elaborado a base de silicio puro fundido y
dopado con boro. Su rendimiento va desde el 15% al 18%
Figura 8. Panel construido con Silicio monocristalino. (REN21. 2012)
Silicio policristalino
Este tipo de panel solar es de igual construcción al monocristalino, con la
diferencia que se disminuye el número de fases de cristalización. Este tipo de panel
fotovoltaico posee un rendimiento del 12% al 14%
11
Figura 9. Panel construido con Silicio policristalino (REN21. 2012)
Silicio amorfo
Este tipo de panel se encuentra construido por una lámina delgada y depositada
sobre un sustrato como vidrio o plástico. Su rendimiento es menor al 10%
Figura 10. Panel construido con Silicio amorfo. (REN21. 2012)
1.6.3. BIOMASA
Definición
“Todo material de origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados
en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización” (CONELEC
2012)
12
Figura 11. Ciclo de generación de biomasa. (ARCONEL Enero- Diciembre,2016)
En el Ecuador las fuentes generadoras de biomasa son en su mayoría de origen
agrícola dentro de los cuales tenemos; cultivos energéticos y biomasa vegetal.
Cultivos energéticos; Se trata de plantaciones que son utilizadas como
fuente de energía o materia prima para la obtención de biocarburantes.
(Fenercom 2007)
Biomasa vegetal; Dentro de este tipo de biomasa tenemos los residuos y
excedentes. (Fenercom 2007)
Es necesario considerar con respecto a la biomasa; que la misma posee niveles de
combustión muy por debajo a los alcanzados con los combustibles fósiles, debido a
que la biomasa posee gran humedad y densidad energética baja. (Fenercom 2007)
13
Figura 12. Clasificación de la biomasa
1.6.4. COLECTORES TÉRMICOS.
Este tipo de tecnología aprovecha el calor del sol como fuente primaria para la
generación de energía eléctrica, pero no de manera directa, ya que el calor de la
radiación solar es transferida a un fluido que a menudo es agua; y en base a la
máxima temperatura que le fluido pueda alcanzar se puede tener los siguientes
sistemas: de baja, media y alta temperatura.
Sistemas de baja temperatura; Dentro de los sistemas de baja temperatura
se encuentran los captadores planos y de tubos de vacío.
Sistemas de media temperatura; En este tipo de sistema se encuentran los
cilindros parabólicos.
Sistemas de alta temperatura
Dentro de este tipo de sistemas tenemos:
Discos parabólicos.
Centrales de Torre.
De los sistemas mencionados anteriormente generan potencias menores a 10MW
y se pueden considerar para la generación distribuida ya que de ser superiores no
estarían cerca del centro de consumo. (Fenercom 2007)
Figura 13. Sistema solar térmico. (Fenercom 2007)
14
1.7. VENTAJAS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA
La generación distribuida puede llegar a ser de gran respaldo para las redes
eléctricas existentes, y posible solución en lugares donde no existan redes eléctricas
convencionales ya que mediante este tipo de generación se puede incrementar la
fiabilidad de la red al momento de entregar energía.
Dentro de las ventajas más relevantes generadas por la GD tenemos:
La cercanía de las fuentes de energía renovables que se emplean en la
generación distribuida produce una reducción en los costos por transporte,
distribución y mantenimiento de las redes eléctricas.
Al tener fuentes de energía no convencionales, la reducción de residuos
contaminantes representa una clara ventaja.
Ayuda a cubrir las demandas elevadas de potencia durante horas pico ya que
la generación distribuida puede ser considerada como reserva.
Los sistemas de generación distribuida pueden incrementar su potencia según
la demanda energética, ya que utiliza una tecnología modular, mediante la
cual puede variar su potencia al aumentar o disminuir módulos.
En regiones apartadas como la amazonía o en sectores rurales donde no se
cuenta con redes de energía eléctrica, permite brindar un servicio confiable y
de calidad.
Diversifica las fuentes primarias de energía como en el caso de la biomasa.
Reducen el tiempo empleado para su emplazamiento en lugares cercanos al
centro de consumo.
1.8. BARRERAS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA.
Dentro de la generación distribuida se presentan barreras e inconvenientes al
momento de pretender implementar este tipo de sistemas:
Falta de madurez en determinadas tecnologías empleadas en la generación
distribuida, lo que conlleva a tener un bajo nivel de eficacia en algunos
sistemas.
15
Al disponer de fuentes de energía no convencionales como las renovables, la
generación distribuida posee un inconveniente que se debe a la aleatoriedad
de los recursos renovables como el viento y el sol.
Los costos iniciales debido a que algunas tecnologías no son lo suficiente
maduras pueden resultar elevados.
1.9. PROYECTOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN EL ECUADOR
El proyecto Euro solar impulsador por la comunidad Europea y el Ministerio de
Electricidad y Energía Renovable de Ecuador (MEER) ha dotado de energía eléctrica
a los habitantes de Quichua en Añangu, mediante la colocación de paneles solares a
las riberas del Rio Napo.
La generación eléctrica mediante viento se tiene proyectos como el instalado en la
isla San Cristóbal, el cual está en funcionamiento desde octubre del 2007 con una
potencia de 2,4 MW; también se encuentra en funcionamiento el parque nacional
Villonaco el cual produce una potencia total de 16,5 MW ya que consta de 11
aerogeneradores.
En cuanto a la generación de energía eléctrica mediante la utilización de biomasa
tenemos los ingenios azucareros Valdez y San Carlos los cuales emplean el bagazo
de caña.
Dentro de los proyectos hidroeléctricos tenemos Abanico el cual se encuentra
ubicado a 15km de la ciudad de Macas, este proyecto es una central a filo de agua
por no poseer reservorio, y está en la capacidad de generar 37.5MW.
1.10. REGULACIÓN DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN
ECUADOR
El ARCONEL se encuentra promoviendo proyectos de generación distribuida a
través de energías renovables como: fotovoltaica, eólico, e hidráulicos con límite de
potencia de 1MW
Mediante la regulación No. ARCONEL-004/15 se establece los criterios y
requerimientos técnicos para la conexión de generadores renovables no
16
convencionales a las redes de transmisión y distribución para no alterar la calidad y
la confiabilidad en el servicio.
A continuación se presenta un extracto de la regulación No. ARCONEL-
004/15.
Se considera centrales de generación renovable no convencional a la que empleen
las siguientes tecnologías:
1 Solar fotovoltaica y solar termoeléctrica
2 Eólica
3 Pequeñas centrales hidroeléctricas potencia nominal menor o igual a 10MW
4 Geotérmica
5 Biomasa
6 Biogás
7 Mareomotriz
Estudios para el acceso
El usuario interesado a desarrollar un proyecto de generación mediante fuentes
renovables no convencionales deberá realizar estudios técnicos para de esta manera
verificar que no producirá efectos adversos al sistema al que se conecta.
a. Escenarios a ser analizados
Los escenarios que deben ser analizados son los siguientes:
Red sin el generador renovable
Red con el generador renovable
Red de distribución solo con generación renovable en el caso que se
permita funcionamiento en isla eléctrica.
b. Flujos de potencia
Se realizarán estudios de flujo de potencia considerando la incorporación
de las nuevas instalaciones, considerando la mínima y máxima demanda.
c. Estudios de cortocircuitos
Se deberán realizar estudios de cortocircuitos trifásicos y monofásicos
como mínimo para las condiciones de demanda y topología de tal manera
17
que representen niveles de corrientes de cortocircuitos mínimas y máximas,
en los puntos de la red que se consideren más críticos.
d. Estudio de coordinación de protecciones
Se deben realizar estos estudios a fin de coordinar las protecciones del
sistema generador y la línea de interconexión.
1.11. GENERADORES DIÉSEL
Este tipo de generadores transforman la energía mecánica en energía eléctrica, y
son utilizados para brindar respaldo a las edificaciones cuando por alguna
circunstancia se deje de tener aporte de energía eléctrica desde la red convencional.
Estos aparatos a su vez pueden ser conectados en paralelo a otros, mediante el
proceso de sincronización, para lo cual se deberá tener en consideración la velocidad
de las máquinas diésel, para lograr brindar mayor capacidad a la red, eficiencia y
redundancia. (Fenercom 2007)
Una de las principales características de un generador diésel es su capacidad de
producir su potencia nominal por varios años
1.12. ACUMULADORES.
La aleatoriedad de los factores ambientales hace que sea necesario la utilización
de sistemas de almacenamiento para la energía producida por los sistemas de
generación distribuida, es así que las baterías son recargadas a partir de las fuentes de
energía renovable como es el caso de los paneles fotovoltaicos y aerogeneradores.
Las baterías son capaces de transformar la energía química en energía eléctrica.
Las principales funciones que cumplen las baterías dentro de un sistema de
generación distribuida en la que intervengan sistemas como el eólico o fotovoltaico
son:
Almacenar energía por un determinado periodo de tiempo
Proporcionar una potencia elevada
Fijar la tensión de operación de la instalación
18
También es importante determinar la capacidad de la batería, la cual indica la
capacidad de electricidad que se puede obtener durante una descarga completa a
partir de un estado de carga completa y es medido en amperios hora (Ah), y puede
ser calculado mediante la siguiente ecuación:
1.12.1. TIPOS DE BATERÍAS
Las baterías se pueden clasificar en función de la tecnología utilizada para su
fabricación así como los electrolitos utilizados. En la tabla 2 podemos observar el
tipo de baterías con sus características básicas.
Tabla 2. Tipo de baterías con sus características básicas. (Diaz T y Carmona G
2010)
19
CAPÍTULO 2
2. MODELO MATEMÁTICO DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN
DISTRIBUIDA
2.1. MODELO MATEMÁTICO DEL PANEL FOTOVOLTAICO
Para la realización del modelo matemático del panel fotovoltaico se parte del
análisis de una célula solar y su respectivo circuito equivalente presentado en la
figura 14.
Figura 14. Circuito equivalente de una célula solar.
2.1.1. NOMENCLATURA EMPLEADA PARA EL MODELO DEL
PANEL FOTOVOLTAICO.
A continuación se presenta la nomenclatura empleada en el modelo matemático
del panel fotovoltaico.
, corriente generada por la luz solar.
, corriente de saturación de la célula en la obscuridad.
, carga de un electrón ( )
, constante de Boltzmann ( )
, temperatura a la que se encuentra trabajando la célula solar.
, resistencia en serie que representa la resistencia interna al flujo de corriente.
, resistencia en paralelo que representa la corriente de fuga.
, voltaje producido por la célula fotovoltaica.
, corriente de cortocircuito en la célula a 1kW/m2
y 25°C.
20
, coeficiente de temperatura de la corriente de cortocircuito.
, temperatura de referencia de la célula (dato de la hoja técnica del
fabricante).
, irradiancia solar
, corriente de saturación inversa de la célula solar.
, voltaje de circuito abierto.
, número de células conectadas en paralelo.
, número de células conectadas en serie.
, potencia máxima.
, potencia mínima.
, factor de relleno de las células que determina la calidad de las mismas
, voltaje máximo.
, voltaje mínimo.
, corriente generada por el panel fotovoltaico.
, factor de linealidad.
Valores de A dependiendo del material del cual estén construidas las células del
panel fotovoltaico. (Singla y Kumar 2013)
Tabla 3. Factor de linealidad (A). (Singla y Kumar 2013)
Descripción Tecnología A(adimensional)
Silisio monocristalino
Silisio policristalino
Silisio amorfo hidrogenado
Silisio amorfo hidrogenado
Teluro de cadmio
Cobre Indio y Selenio
Arseniuro de galio
Si-mono
Si-poly
a-Si:H
a-Si:H triple
CdTe
CIS
AsGa
1.2
1.3
1.8
3.3
5
1.5
1.3
21
Figura 15. Esquema del modelo matemático de un panel fotovoltaico.
22
2.2. MODELO MATEMÁTICO DE TURBINA EÓLICA.
La turbina eólica es un dispositivo diseñado para aprovechar la energía producida
por el movimiento del viento, produciendo así una potencia mecánica y moviendo un
generador, para convertirla en energía eléctrica.
La cantidad de energía que puede ser aprovechada por la turbina eólica depende
de tres parámetros como, la velocidad del viento, área de barrido del rotor de las
aspas del rotor y eficiencia máxima de la turbina.
El matemático de la turbina de parte de la masa de corriente de aire del viento que
pasa a través del área de barrido de la turbina, la cual está en función de la densidad
del aire y la velocidad del viento. Como podemos ver en la figura 16.
Figura 16. Ráfaga de aire en un aerogenerador. (Hernández A 2008)
2.2.1. NOMENCLATURA EMPLEADA EN EL MODELO
MATEMÁTICO.
A continuación se presenta la nomenclatura empleada en el modelo matemático de
la turbina eólica.
, masa de corriente de aire. [ ]
, tamaño de corriente de aire. [ ]
, área de superficie de barrido de las palas. [ ]
, densidad del aire. [ ]
, radio del rotor de la turbina. [ ]
23
, energía cinética producida por la ráfaga de aire. [ ]
, potencia útil producida por la turbina. [ ]
, velocidad del viento. [ ]
, ángulo de paso de las palas con respecto al viento. [ ]
, relación de la velocidad específica o periférica.
, velocidad angular de la turbina. [ ]
, potencia media aprovechable. [ ]
, par mecánico del eje de la turbina. [ ]
, coeficiente de potencia máximo o límite teórico de Betz.
Tabla 4. Coeficientes para obtener valores de (Cp.)
Descripción Valor (adimensionales)
24
Figura 17. Esquema del modelo matemático de la turbina eólica.
25
2.2.2. DENSIDAD DEL AIRE.
A continuación se presenta la nomenclatura empleada en el modelo matemático de
la densidad del aire.
, presión atmosférica.
, temperatura ambiente.
, altitud sobre el nivel del mar.
, constante de gases ideal del aire.
, densidad del aire de referencia a nivel del mar.
, aceleración gravitacional.
A continuación se presenta los valores de las diferentes constantes para la
obtención de la densidad del aire dependiendo del lugar.
Tabla 5. Constantes utilizadas para obtener la densidad del aire
Descripción Valor
Figura 18. Esquema del modelo matemático de la densidad del aire.
26
2.3. MODELO MATEMÁTICO DE UN GENERADOR TRIFÁSICO
SÍNCRONO DE ROTOR DE POLOS SALIENTES
Nomenclatura empleada para encontrar los parámetros característicos de un
generador trifásico síncrono de polos salientes. (Aller J 2008)
, potencia activa [kW]
, voltaje de línea [V]
, frecuencia [Hz]
( ), factor de potencia
, corriente de línea [A]
, velocidad nominal [rpm]
, potencia aparente [VA]
, corriente de campo [A]
, impedancia base [Ω]
, inductancia base [Hz]
, velocidad angular base [rad/seg]
, inductancia directa de campo [mH]
, inductancia directa [mH]
, inductancia directa de magnetización [mH]
, número de vueltas del bobinado de campo
, número de vueltas del bobinado directo
, corriente base [A]
, corriente base de campo [A]
27
Figura 19. Esquema del modelo matemático del generador diésel.
28
Cálculos realizados para determinar los parámetros característicos de un
generador de polos salientes. (Aller J 2008)
=1800 rpm
=208 V
=60 Hz
=13000 VA
√
√
( )
√
√
29
CAPÍTULO 3
3. DATOS DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA
3.1. LEVANTAMIENTO Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN DE
CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA.
La alimentación de todas las instalaciones de la Universidad Politécnica Salesiana
sede Cuenca está compuesta por varios transformadores debido a que la demanda
energética es considerable, por este motivo anteriormente la facturación por consumo
energético constaba de un medidor por cada transformador, en la actualidad por
nuevas disposiciones se han unificado la demanda al medidor número 272385.
(Pesántes J y Cueva D 2016)
El consumo de energía es diferente en cada transformador, en algunos se mantiene
en cierto periodo de tiempo y para otros no, esto se debe a los periodos de
vacaciones por semestres, días festivos y fines de semana.
3.1.1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN DEL CONSUMO DE LA
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA.
Para realizar el estudio correspondiente se ha recopilado la información de datos
de demanda de energía eléctrica del año 2015 de la página Web del EERCS
(Empresa Eléctrica Regional Centro Sur) de la Universidad politécnica Salesiana
sede Cuenca, en la tabla 6 presenta el consumo energético debido a la unión de los
todos los transformadores.
30
Tabla 6. Demanda energética de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca
2015.
Mes
Energía consumida
Total de energía
consumida por mes
(kWh) Horario de consumo por mes por día
(7-18)horas (18-22) horas (22-7) horas
Enero 43.729 17.954 16.385 78.068 (kWh)
Febrero 48.276 19.273 16.302 83.851 (kWh)
Marzo 39.783 17.473 14.878 72.134 (kWh)
Abril 40.836 17.391 16.034 74.261 (kWh)
Mayo 47.613 19.155 16.059 82.827 (kWh)
Junio 49.134 19.972 16.633 85.739 (kWh)
Julio 51.688 21.507 16.548 89.743 (kWh)
Agosto 54.593 21.563 17.295 93.451 (kWh)
Septiembre 35.967 14.174 16.453 66.594 (kWh)
Octubre 40.619 14.999 16.102 71.720 (kWh)
Noviembre 50.383 19.979 17.255 87.617 (kWh)
Diciembre 46.598 18.814 17.304 82.716 (kWh)
Potencia total consumida en año 2015 968721 (kWh)
La figura 20 presenta el consume energético total por cada mes del 2015.
Figura 20. Curva de Demanda energética del año 2015 de la Universidad
Politécnica Salesiana Sede Cuenca.
3.2. CONSUMO ENERGÉTICO DEL TRANSFORMADOR 1860.
Tras una investigación y levantamiento del consumo del Transformador 1860 que
consta de una potencia de 300kVA, se ha establecido que dicho transformador
alimenta al edificio Cornelio Merchán, Maro Rizzini y Teatro Carlos Crespi de la
31
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca y representaría un 35% de la energía
total consumida, la cual estaría entre 30 y 35 MWh/mes. (Pesántes J y Cueva D
2016)
3.2.1. CONSUMO DEL EDIFICIO “CORNELIO MERCHÁN”.
El edificio Cornelio Merchán es uno de los edificios más grandes y de mayor
consumo de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca. En la tabla 7 se
presenta el consumo total mensual estimado del edificio Cornelio Merchán.
(Pesántes J y Cueva D 2016)
Tabla 7. Consumo total del edificio Cornelio Merchán
Edificio
Cornelio
Merchán
Consumo Mensual Estimado
Potencia
(kW)
Energía
(kWh)
Pico
(kWh)
Potencia Pico
(kW)
Total. 203,6 2.4780,4 4.662,3 154,6
3.2.2. CONSUMO DEL EDIFICIO “MARIO RIZZINI”.
El edificio Mario Rizzini también es alimentado por el transformador 1860 de la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca, como se puede observar en la tabla 8
el consumo total mensual estimado del edificio Mario Rizzini. (Pesántes J y Cueva
D 2016)
Tabla 8. Consumo total del edificio Mario Rizzini
Edificio
Mario Rizzini
Consumo Mensual Estimado
Potencia (kW) Energía (kWh) Pico
(kWh)
Potencia Pico
(kW)
Total. 27,9 6.853,4 1.835,8 26,2
3.2.3. CONSUMO TOTAL DEL TRANSFORMADOR 1860
El consumo total del transformador 1860 se obtiene de la suma de las energías
consumidas por los edificios Cornelio Merchán y Mario Rizzini, como se puede ver
en la tabla 9. (Pesántes J y Cueva D 2016)
32
Tabla 9. Consumo total del transformador 1860
Transformador
1860
Consumo Mensual Estimado
Potencia (kW) Energía
(kWh)
Pico
(kWh)
Potencia Pico
(kW)
Total. 231,5 31.633,8 498,1 180,8
33
CAPÍTULO 4
4. DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA LA SIMULACIÓN
4.1. PLANTEAMIENTO DE VARIABLES PARA EL SISTEMA
FOTOVOLTAICO Y EÓLICO
La simulación del panel fotovoltaico requiere de variables de temperatura
ambiental (°C), e irradiación solar ( ⁄ ); la simulación del aerogenerador
requiere la velocidad del viento ( ⁄ ); todas estas variables fueron obtenidas de
la base de datos de la estación meteorológica del Instituto Nacional de Eficiencia
Energética y Energías Renovables (INER-UPS) en un periodo de 12 meses del año
2015 en las instalaciones de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca.
4.1.1. TEMPERATURA (°C)
La figura 21 se presenta la temperatura ambiente cercano a la Universidad
Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el año 2015.
Figura 21. Temperatura promedio ambiente del año 2015 (Datos INER-UPS)
La figura 22 muestra el comportamiento de la temperatura ambiente cercano a la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el mes de enero del año
2015.
34
Figura 22. Temperatura ambiente del mes de enero del año 2015 (Datos INER-
UPS)
4.1.2. IRRADIACIÓN SOLAR ( )
La figura 23 muestra el comportamiento de la radiación solar global cercano a la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el año 2015.
Figura 23. Radiación solar global promedio del año 2015 (Datos INER-UPS)
La figura 24 muestra el comportamiento de la radiación solar global cercano a la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el mes de enero del año
2015.
35
Figura 24. Radiación solar global del mes de enero del año 2015 (Datos INER-
UPS)
4.1.3. VELOCIDAD DEL VIENTO ( )
La figura 25 muestra el comportamiento de la velocidad del viento cercano a la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el año 2015.
Figura 25. Velocidad del viento promedio del año 2015 (Datos INER-UPS)
La figura 26 muestra el comportamiento de la velocidad del viento cercano a la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca durante el mes de enero del año
2015.
36
Figura 26. Velocidad del viento del mes de enero del año 2015 (Datos INER-UPS)
4.1.4. PLANTEAMIENTO DE VARIABLES PARA EL SISTEMA
AUXILIAR DE GENERACIÓN POR DIÉSEL.
Para realizar la simulación del sistema de generación a diésel se ha tomado como
modelo de referencia uno de los generadores existentes en la Universidad Politécnica
Salesiana Sede Cuenca, del cual se ha tomado los datos característicos de la placa
como son: potencia activa [kW], frecuencia [f], pares de polos [ ], voltaje de línea
[ ], y corriente de campo [ ].
37
4.1.5. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MODELO DE SIMULACIÓN
PARA LA INTEGRACIÓN DE RECURSOS DE GENERACIÓN
DISTRIBUIDA.
Figura 27. Diagrama de bloques del simulador de generación de recursos
distribuidos
38
4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN
La implementación del software de simulación se realizó en Simulink de Matlab,
a continuación se presenta la composición de cada uno de los respectivos bloques
que constituyen el modelo de simulación, conforme las ecuaciones matemáticas
detalladas en el capítulo 2.
4.2.1. PANEL FOTOVOLTAICO
Figura 28. Diagrama de bloques de la composición interna del panel fotovoltaico.
39
4.2.2. AEROGENERADOR.
Figura 29. Diagrama de bloques de la composición interna del aerogenerador.
40
4.2.3. GENERAOR DIESEL.
Figura 30. Diagrama de bloques de la composición interna del generador Diésel
4.3. VALIDACIÓN DEL SISTEMA.
Para garantizar que el sistema funcione de manera correcta se han considerado
modelos matemáticos establecidos por investigadores y libros de energías
renovables. (Huan-Liang Tsai, Ci-Siang Tu y and Yi-Jie Su 2008), (M. E. González
Elías, y otros 2011) También se ha realizado una validación de mediante pruebas
nominales de los equipos los cuales son datos dado por el fabricante que se
encuentran en los anexos.
4.3.1. VALIDACIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS
La validación del modelo matemático empleado en el módulo fotovoltaico se lo
consigue obteniendo las curvas características del mismo y comparándolas con las
curvas entregadas por el fabricante. Para este caso puntual se toma la información
técnica del panel fotovoltaico de marca SIMAX 660 de 230W. En la figura 31 se
presenta los datos técnicos del panel SIMAX 660.
41
Figura 31. Datos técnicos del panel SIMAX 660 (Ver anexo 1)
En la siguiente figura 32 se presenta las curvas de voltaje vs corriente y voltaje vs
potencia obtenidas al variar los valores de irradiación desde los 400 hasta los
1000 , manteniendo una temperatura constante de 25°C.
Figura 32. Curvas obtenidas del modelo variando la irradiancia solar.
En la figura 32 presentada se observa que la corriente tiende a subir cuando se
incrementa la irradiación solar, que para esta prueba tomo valores de 400
hasta los 1000 en rangos de 200 ; en esta figura también se presenta el
comportamiento de voltaje vs la potencia la misma que tiene incrementos a medida
que se varia la irradiación solar.
Con los resultados obtenidos se ha realizado una contrastación entre las gráficas
generadas mediante el modelo matemático implementado en simulink de Matlab y
las gráficas obtenidas desde el fabricante y se observa que las variaciones son
mínimas, lo cual indica que el modelo implementado es bastante aproximado.
4.3.2. VALIDACION DEL GENERADOR MICRO EÓLICO.
Para la validación se tomó como ejemplo un generador micro eólico de la marca
Sunnily X-600, en tabla 10 se muestra las especificaciones técnicas del fabricante.
(ecopowershop 2015)
42
Tabla 10. Especificaciones técnicas Sunnily X-600.
En figura 33 se muestra la potencia de salida del generador con una velocidad
viento determinada del Sunnily X-600.
Figura 33. Curva de potencia con respecto a la velocidad Sunnily X-600 (Ver anexo
2)
En la figura 34 se mustra el coeficiente de rendimiento de la micro generador
eólico con respecto a lambda, la curva es obtenida del sistema en condiciones
nominales del gnerador.
43
Figura 34. Coeficiente de rendimiento Cp con respecto a lambda.
En la figura 35 se mustra la potencia de salida del micro generador eólico con
respecto al la velocidad del viento, la curva es obtenida del sistema en condiciones
nominales del gnerador.
Figura 35. Curva de potencia de salida con respecto a la velocidad del viento.
44
Figura 36. Modelo de simulación que integra sistemas de generación distribuida
conformada por: sistema fotovoltaico, sistema eólico y sistema de generación a
diésel.
45
CAPÍTULO 5
5. PRUEBAS DEL MODELO DE SIMULACIÓN BASADA EN ESCENARIOS
Las pruebas a las que se somete al modelo de simulación de generación de
recursos de generación distribuidos está basado en 5 escenarios, en los cuales se
realiza diferentes combinaciones de los tres sistemas de generación distribuida, con
parámetros de ingreso de las condiciones ambientales como de: irradiación solar,
temperatura ambiente y velocidad del viento obtenidas por el INER, en las
instalaciones de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca. También propone
la generación entre 30 y 35% del consumo del transformador 1860.
Tabla 11. Escenarios en los cuales se analiza la potencia generada por los sistemas
de generación distribuida
Escenario Sistemas
Condiciones ambientales
Irradiación
[kW/m^2]
Temperatur
a [°C]
Velocidad
del viento
[m/s]
Solar Eólico Diésel Min Máx
.
Min Máx
.
Min Máx
.
1 x x - -
2 x x - -
3 x x x - - x
4 x x x - - x
5 x x x x - - x
5.1. PROPUESTA DE GENERACIÓN CON EL SISTEMA.
Para determinar la cantidad de energía a generar se partió del consumo de un mes
de mayor consumo de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca.
En la tabla 11 se presenta la propuesta de generación del 30% mensual con los
sistemas: eólico, fotovoltaico, a más de 10kW producidos por un generador diésel
como auxiliar.
Tabla 12. Propuesta de generación mensual por el sistema.
Mes Consumo
total UPS.
33% Consumo
trasformador 1860.
30% propuesta de
generación por el modelo
Noviembr
e
87617
(kWh) 28913,61 (kWh) 8674,083 (kWh)
46
La generación distribuida con las condiciones climatológicas observadas puede
generar por un periodo de ocho horas al día mediante el cual se ha propuesto generar
un 10% con el sistema mini eólico, 90% con el sistema fotovoltaico y adicionalmente
con el generador diésel de 10kW.
Tabla 13. Propuesta de generación por sistemas
Día
(8 horas)
30% Consumo
trasformador 1860
10% propuesta de
generación mini
eólico
90% propuesta de
generación por el sistema
fotovoltaico.
12,047
(kWh)/día
9,63787
(kWh)/día
86,74083 (kWh)/día
5.2. DETERMINACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS PARA
ESCENARIOS.
5.2.1. SELECCIÓN DE MÓDULOS PARA SISTEMA
FOTOVOLTAICO.
Para determinar el número de arreglos de un sistema fotovoltaico es necesario
saber la cantidad de energía que se desea generar por día, determinar el tipo de panel
a usar, voltaje y corriente de salida de cada arreglo para un inversor comercial.
5.2.1.1. Panel fotovoltaico SIMAX 156 Solar module (SM660-230W)
Figura 37. SIMAX 156 Solar module (SM660-230W) (Ver anexo 1)
47
5.2.1.2. Inversor DC/AC 5000W 120V a 380VAC Inversor de Energía
Solar de 3 Fases para Sistema Solar.
Figura 38. BZP-5KW (Ver anexo 2)
5.3. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE PANELES O MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS.
Para determinar el número de paneles de un sistema fotovoltaico, se considera la
energía diaria a producir, horas sol pico diaria (HSP) con un promedio de 4.2 horas
de pico solar (Macancela Vázquez y Regalado Cajamarca 2012), rendimiento
energético de la instalación y los parámetros de los módulos fotovoltaico como se
puede observar en la ecuación 15. (Ver anexo 1)
( )
Fuente: (Loaeza F, Carmona C y Tenorio J 2012)
, Numero de módulos.
, Energía diaria estimada,
, Voltaje máximo del módulo,
, Corriente máxima del módulo.
, Horas de sol pico
, Performance Ratio o Rendimiento Energético de la Instalación
48
5.3.1. DETERMINACIÓN DE MÓDULOS EN SERIE Y PARALELO
Para la determinación de los módulos en serie y paralelo se requiere saber la
potencia, voltaje de entrada y corriente de entrada del inversor en DC.
( )
, Voltaje de entrada del inversor
( )
, Corriente de entrada del inversor
Mediante el cálculo de la ecuación 25 y 26 tenemos un total de módulos o paneles
lo cual representa un solo arreglo en la siguiente ecuación se podrá determinar el
número de arreglos y en número de inversores para aproximarse a la energía
requerida.
( )
En número inversores es igual número de arreglos en paralelo del sistema de esta
manera podemos determinar el número total de paneles del sistema para obtener una
aproximado dela energía requerida, cabe recalcar que el número de paneles puede
aumentar o disminuir esto depende la datos técnicos del inversor.
( )
En la tabla 13 se puede observar un ejemplo para el modelo en simulink de
matlab, número de arreglos, número total de módulos en serie y paralelo del sistema
fotovoltaico, para suplir una de manda de energía diría de 86.140 kWh (Ver anexo 5)
Tabla 14. Número paneles y arreglos fotovoltaico del sistema propuesto
Sistema
fotovoltaico.
Serie Parale
lo
Arregl
os
Total
paralelo
Tot
al
Numero de
módulos
3 7 5 35 105
49
En la figura 39 se presenta el modelo de la calculadora en simulink de matlab
para obtener el número de módulos del sistema.
Figura 39. Calculadora para obtener el número de paneles del sistema
5.4. SELECCIÓN DEL MICRO GENERADOR EÓLICO.
Para determinar el número de micro generadores eólicos del sistema mini
eólico es necesario saber la cantidad de energía que se desea generar y el promedio
de viento por día, en su mayoría incluye su propio regulador de tensión para lo cual
se propuso usar la siguiente turbina.
5.4.1. FD3.6- 2000 DE TURBINA DE VIENTO
Figura 40. Fd3.6- 2000 de turbina de viento (ver anexo 3)
50
5.4.2. INVERSOR BZS-2000W
Figura 41. Inversor BZS-2000W (ver anexo 4)
Para determinar el sistema mini eólico no se presenta mayor dificultad debido a
que la mayoría viene todo en un solo kit, todos lo mini generadores se los conecta en
paralelo.
Tabla 15. Sistema mini eólico
Sistema mini eólico Micro generador Total
Número micro generadores eólicos 4 4
5.5. ANÁLISIS DEL ESCENARIO 1
Para realizar la simulación del primer escenario se han tomado datos climáticos
correspondientes a irradiación máxima, temperatura ambiental del mes de febrero
del año 2015. En la figura 42 se presenta los factores ambientales de ingreso al
modelo de simulación.
51
Figura 42. Datos de irradiación y Temperatura durante de febrero del año 2015.
En la figura 43 se presentan la curva de potencia fotovoltaica generada por el
sistema distribuido durante el mes de febrero del 2015.
Figura 43. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015.
En la siguiente figura 44 se presentan la curva de potencia generada por el sistema
fotovoltaico promedio por día del mes de febrero del 2015.
52
Figura 44. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero del
2015.
En la siguiente figura 45 se presenta la potencia obtenida por el sistema
distribuido durante el mes de febrero del 2015.
Figura 45. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015.
En la siguiente figura 46 se presentan las curvas de potencia generada por el
sistema de generación distribuida y la potencia consumida por el transformador
1860 durante el mes de febrero del 2015.
53
Figura 46. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida.
Figura 47. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink.
5.6. ANÁLISIS DEL ESCENARIO 2
Para realizar la simulación del segundo escenario se han tomado datos
climáticos correspondientes a irradiación mínima y temperatura ambiental del mes de
julio del año 2015. En la figura 48 se presenta los factores ambientales que ingresan
al simulador.
54
Figura 48. Datos de irradiación y Temperatura durante de julio del año 2015.
En la siguiente figura 49 se presentan las curvas de potencia generada por el
sistema fotovoltaico con factores ambientales mínimos durante el mes de julio del
2015.
Figura 49. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de julio del 2015
En la figura 50 se presentan la curva de potencia generada por el sistema
fotovoltaico promedio por día del mes de julio del 2015.
55
Figura 50. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de julio del
2015.
En la figura 51 se presenta la potencia obtenida total por el sistema distribuido
durante el mes de julio del 2015.
Figura 51. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de julio del
2015.
En la siguiente figura 52 se presentan las curvas de potencia total generada por el
sistema de generación distribuida del mes de julio del 2015.
56
Figura 52. Potencia total obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida.
Figura 53. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink.
5.7. ANÁLISIS DEL ESCENARIO 3
Para la simulación del escenario 3 se han considerado las condiciones máximas de
los factores ambientales de irradiación solar, temperatura ambiental y velocidad de
viento del mes de febrero del 2015. En la figura 54 se presenta los factores
ambientales de ingreso al modelo de simulación.
57
Figura 54. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante el mes
de febrero del año 2015.
En la figura 55 se presenta la potencia producida por el sistema fotovoltaico, con
el factor ambiental de irradiación máxima del mes de febrero 2015.
Figura 55. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015
En la figura 56 se presenta la potencia fotovoltaica promedio diaria producida por
el sistema fotovoltaico durante el mes de febrero del 2015
58
Figura 56. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero del
2015
En la figura 57 se presenta la potencia generada por el sistema eólico durante el
mes de febrero del año 2015.
Figura 57. Potencia eólica generada durante el mes de febrero del 2015.
En la figura 58 se presenta la potencia eólica promedio diaria generada por el
sistema durante el mes de febrero del 2015
59
Figura 58. Potencia eólica generada promedio por día del mes de febrero del 2015.
En la figura 59 se presenta la potencia total generada por el sistema distribuido
durante el mes de febrero del año 2015.
Figura 59. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015.
En la figura 60 se presenta la potencia total generada por el sistema distribuido y
la potencia consumida durante el mes de febrero del año 2015.
60
Figura 60. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida.
Figura 61. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink.
5.8. ANÁLISIS DEL ESCENARIO 4
Para la simulación del escenario 4 se toman los valores mínimos de los factores
ambientales de irradiación solar, temperatura ambiental, velocidad de viento, durante
el mes de julio del año 2015. En la figura 62 se presenta los factores ambientales que
ingresan al modelo de simulación.
61
Figura 62. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante de julio
del año 2015.
En la figura 63 se presenta la potencia producida por el sistema fotovoltaico, con
el factor ambiental de irradiación mínima del mes de julio 2015.
Figura 63. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de julio del 2015.
En la figura 64 se presenta la potencia fotovoltaica promedio diaria generada por
el sistema durante el mes de julio del 2015
62
Figura 64. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de julio del
2015.
En la figura 65 se presenta la potencia producida por el sistema eolico, con el
factor ambiental del viento del mes de julio 2015.
Figura 65. Potencia eólica generada durante el mes de julio del 2015.
En la figura 66 se presenta la potencia eólica promedio diaria generada por el
sistema durante el mes de julio del 2015
63
Figura 66. Potencia eólica generada promedio por día del mes de julio del 2015.
En la figura 67 se presenta la potencia obtenida total por el sistema distribuido
durante el mes de julio del 2015.
Figura 67. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de julio del
2015.
En la figura 68 se presenta la producción de potencia del sistema distribuido
conformado por los sistemas: fotovoltaico, eólico y la potencia consumida.
64
Figura 68. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida.
Figura 69 Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink.
5.9. ANÁLISIS DEL ESCENARIO 5
Para la simulación del escenario 5 se toman los valores máximos factores
ambientales de irradiación solar, temperatura ambiental, velocidad de viento, durante
el mes de febrero del año 2015; adicionando a la producción de potencia la producida
por el generador diésel de 10KW. En la siguiente figura 70 se presenta los factores
ambientales que ingresan al modelo de simulación.
65
Figura 70. Datos de irradiación, Temperatura, velocidad del viento durante de
febrero del año 2015.
En la figura 71 se presenta la potencia producida por el sistema fotovoltaico, con
el factor ambiental de irradiación máxima del mes de febrero 2015.
Figura 71. Potencia fotovoltaica generada durante el mes de febrero del 2015.
En la figura 72 se presenta la potencia fotovoltaica promedio diaria generada por
el sistema durante el mes de febrero del 2015
66
Figura 72. Potencia fotovoltaica generada promedio por día del mes de febrero del
2015.
En la figura 73 se presenta la potencia producida por el sistema eólico, con el
factor ambiental de velocidad del viento del mes de febrero 2015.
Figura 73. Potencia eólica generada durante el mes de febrero del 2015.
En la figura 74 se presenta la potencia eólica promedio diaria generada por el
sistema durante el mes de febrero del 2015.
67
Figura 74. Potencia eólica generada promedio por día del mes de febrero del 2015.
En la figura 75 se presenta la potencia generada por el sistema generación por
diésel.
Figura 75. Potencia producida por el generador diese de 10kW.
En la figura 76 se presenta la potencia obtenida total por el sistema distribuido
durante el mes de febrero del 2015.
68
Figura 76. Potencia generada por el sistema distribuido durante el mes de febrero
del 2015.
En la figura 77 se presenta la potencia obtenida por el sistema distribuido y el
consumo de la potencia durante el mes de febrero del 2015.
Figura 77. Potencia obtenida mediante generación distribuida y potencia
consumida.
69
Figura 78. Interfaz gráfica implementada en Matlab para controlar el modelo de
simulación implementado en Simulink.
5.10. RESUMEN DE LOS ESCENARIOS.
En la tabla 16 se presenta un resumen de las energías diarias totales generadas por
el sistema.
Tabla 16. Resumen de cada escenario y la generación total década uno.
Escenarios Escenario
1
Escenario
2
Escenario
3 Escenario 4 Escenario 5
Sistema
fotovoltaico
77,675
kWh
49.577
kWh
77.675
kWh 49.577 kWh 77.675 kWh
Sistema
mini eólico.
16.771
kWh 14.3596 kWh 16.771 kWh
Generación
diésel.
86.9422
kWh
Energía
total por día
77.675
kWh
49.577
kWh
94.446
kWh 63.9372 kWh
181.388
kWh
70
CAPÍTULO 6
6. ANÁLISIS ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA INTEGRACIÓN
ENERGÉTICA DE RECURSOS DISTRIBUIDOS EN LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA, FRENTE A SISTEMAS
CONVENCIONALES.
6.1. ANÁLISIS DE IMPACTO AMBIENTAL.
Mediante un estudio realizado en el 2013 por el Ministerio del Ambiente del
Ecuador, se ha estimado que el factor de emisiones de CO2 en Ecuador en el 2011 es
de: (MAE 2013); (Serrano 2012)
La tabla 16 presenta el consumo de energía del transformador 1860 que alimenta a
los edificios Cornelio Merchán y Mario Rizzini, de la Universidad Politécnica
Salesiana sede Cuenca que es aproximadamente es de 319,67793 (MWh).
Tabla 17. Consumo energético del Trasformador 1860.
Consumo energético del
transformador 1860.
Consumo por mes Consumo por año
26639,8275 (kWh) 319,67793 (MWh)
En la tabla 17 se realizó una estimación de consumo energético por mes y año del
transformador 1860, lo cual se lo realizó a partir de los datos de consumo de la
Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca de año 2015 de la página web de la
(EERCS 2016).
Para el obtener las emisiones de CO2 por consumo de energía en edificio se
utilizó el factor de emisión del Ecuador
.
(MAE 2013)
De manera que se puede calcular:
( ) ( )
71
6.2. PLIEGO TARIFARIO AGENCIA DE REGULACIÓN Y CONTROL
DE ELECTRICIDAD (ARCONEL) PARA EL PERIODO 2016.
Cada año la Agencia de Regulación y Control de Electricidad (ARCONEL) emite
la resolución de pliegos tarifarios. La cual está estructurada por diferentes categorías
por tarifa. Según ARCONEL la Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca se
encuentra en la categoría de “TARIFA GENERAL DE MEDIA TENSIÓN CON
REGISTRADOR DE DEMANDA HORARIA”. La cual se aplica a consumidores
excepto consumidores industriales, que dispongan un registrador de demanda
horaria y que su menor demanda sea de (22h a 7h). Por lo que para el año 2016 se ha
regulado los precio que se pueden observar en al siguiente figura. (ARCONEL
Enero- Diciembre,2016)
Tabla 18 Pliego tarifario general de baja tensión con registrador de demanda.
(ARCONEL Enero- Diciembre,2016)
En la tabla 18 se muestra los Cargos tarifarios del ARCONEL para clientes
comerciales de media tensión con demanda horaria para el año 2016. Por
consiguiente el consumidor debe pagar Pliego tarifario ARCONEL. (ARCONEL
Enero- Diciembre,2016)
a. Cargo por comercialización en UDS/consumidor independiente de consumo
de energía.
72
b. Un cargo por demanda un UDS/kW, por cada kW de demanda facturable,
como mínimo de pago, sin derecho a consumo, multiplicado por el factor de
corrección (FC).
c. Un Cargo de energía expresado UDS/kWh, en función de la energía
consumida en el periodo de 07h00 hasta 22h00, que corresponde al cargo por
energía de la tarifa de la figura 72.
d. Un Cargo por energía expresado en UDS/kWh, en función de la energía
consumida, en el periodo de 22h00 hasta 07h00, que corresponden al cargo
por energía del literal anterior disminuido en 20%.
Para su aplicación se debe establecer la demanda máxima mensual del consumidor
durante las hora pico de la empresa eléctrica (18h00 hasta 22h00).
6.3. CONSUMO ELÉCTRICO DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA
SALESIANA SEDE CUENCA
El detalle de consumo eléctrico de la Universidad Politécnica Salesiana sede
Cuenca, se lo puede obtener mediante la página web o factura de pago de la
Empresa Regional Centro Sur.
Tabla 19. Detalle de Factura del Cliente
Cliente Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca
Uso de Energía Comercial con demanda horaria
RUC 0190003809001
Código 272385
Dirección Eliat Liut y Calle Vieja
Fecha de Emisión. 2016/5
Tabla 20. Detalle de consumo del mes de abril 2016.
Energía Abril. Rango /Horario Consumo (kWh)
Activa N7 / 18 L 42485
Activa N18 / 22 LV 17689
Activa N22 / 7 LVy 17352
Demanda Rango /Horario (kW)
Demanda N18 / 22 LV 242
Demanda No Pico 224
73
En la tabla 21 se especifica el consumo del mes de abril, el uso de energía de la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca está establecida como comercial con
demanda horaria.
Tabla 21. Detalle de Factura del mes de Abríl 2016
Descripción Rubro Valor
Contribución Bomberos 3109-A 5.49
Cargo por comercialización 1.41
Cargo por demanda 1362.80
Cargo por energía 7890.17
Servicio alumbrado público general 1190.07
Total. 10460.04 (UDS)
6.4. CÁLCULO DE CONSUMO DEL TRANSFORMADOR 1860.
6.4.1. COSTO ENERGÉTICO DEL TRANSFORMADOR 1860 DE LA
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA.
Para obtener el consumo de energético del transformador 1860 se estimo es 33%
del consumo total de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca. (Pesántes J y
Cueva D 2016)
Tabla 22. Detalle de consumo del mes de abril 2016.
Energía Abril. Rango /Horario Consumo (kWh)
Activa N7 / 18 L 14020,05
Activa N18 / 22 LV 5837,37
Activa N22 / 7 LVy 5726,16
Demanda Rango /Horario (kW)
Demanda N18 / 22 LV 79,86
Demanda No Pico 73,92
a. Por cargo de comercialización.- Este rubro es constante según la EERCS y
es de 1.41 (UDS)
b. Cargo por demanda.- El rubro por demanda está en función Factor de
corrección (FC).
Médiate el siguiente cálculo se obtendrá el rubro por demanda (RD).
74
Donde:
( )
c. Rubro por energía.
Tabla 23. Detalle de costo de energía del mes de abril 2016.
Energía Rango /Horario Consumo (kWh) Costo unit. (USD) Total. (USD)
Activa N7 / 18 L 14020,05 0,095 1331,90475
Activa N18 / 22 LV 5837,37 0,095 554,55015
Activa N22 / 7 LVy 5726,16 0,077 440,91432
Total. 2327,36922
d. Costo por servicio de Alumbrado público.
Tabla 24. Detalle de costo de energía para alumbrado público del mes de abril
2016.
Energía Rango
/Horario
Consumo (kWh) Costo unit.
(USD)
Total.
(USD)
Activa N7 / 18 L 14020,05 0,081 1135,62405
Activa N18 / 22 LV 5837,37 0,081 472,82697
Activa N22 / 7 LVy 5726,16 0,065 372,2004
Energía 1980,65142
Demanda 380
Total. 2360,78502
La tasa por alumbrado público según la EERCS es 14.6% del consumo total de
energía y penalización de por el factor de potencia.
( ) ( )
75
e. Cargo por cuerpo de bomberos.- Es un cargo de 1.5% del sueldo básico
unificado.
( )
Tabla 25. Detalle del costo total a pagar del mes de abril del 2016
Rubros Valor (UDS)
Contribución Bomberos 3109-A 5,49
Cargo por Comercialización 1,41
Cargo por Demanda 380,1336
Cargo por Energía 2327,36922
Servicio de Alumbrado Público 344,6746129
Total 3059,077433 (UDS)
6.5. COSTO DE EQUIPOS PARA MONTAJE DE SISTEMA
DISTRIBUIDO.
6.5.1. COSTO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO.
Tabla 26. Precios sistema fotovoltaico.
Sistema fotovoltaico. Costo unidad (UDS) Cantidad Costo total (UDS)
Módulo fotovoltaico. 370 105 38850
Inversores DC/AC 4000 5 20000
Total 58850
6.5.2. COSTO DE SISTEMA MINI EÓLICO.
Tabla 27. Precios del sistema mini eólico
Sistema mini eólico Costo unidad (UDS) Cantidad Costo total (UDS)
Micro Aero generadores 1600 4 6400
Inversores DC/AC 1000 4 4000
Total 10400
6.5.3. COSTO TOTAL DE EQUIPOS.
Tabla 28. Precio total del sistema fotovoltaico más el sistema mini eólico.
Costo total de equipos. (UDS)
Sistema fotovoltaico. 58850
Sistema mini eólico 10400
Total 69250
76
6.6. COSTO POR ENERGÍA CADA ESCENARIO.
Cabe recalcar que el costo por energía del edificio depende que estatuto se
encuentre ya que a este se puede sumar otros cobros, los que serán sumados al costo
de la planilla.
6.6.1. ANÁLISIS DE COSTO ENERGÉTICO DE LOS ESCENARIOS.
Tabla 29. Costo por energía de cada escenario.
Escenarios Mes Total Energía
por día.
Total Energía
por mes.
Costo del
kWh (UDS)
Costo mensual
(UDS)
Escenario 1 Febrero 77.675 kWh 2330.25 kWh 0,097 226,03425
Escenario 2 Julio 49.5776 kWh 1487.328 kWh 0,097 144,270816
Escenario 3 Febrero 94.446 kWh 2833.38 kWh 0,097 274,83786
Escenario 4 Julio 63.9372 kWh 1918.116 kWh 0,097 186,057252
Escenario 5 Febrero 181.388kWh 5441.64 kWh 0,097 527,83908
6.7. ANÁLISIS DE COSTOS ENERGÉTICO TOTAL POR CADA MES.
En la tabla 30 se presenta el costo de energía por cada mes del año 2015, el costo
de energía menos el 30% que se genera por el modelo de simulación de recursos
distribuidos y el ahorro por cada mes.
Tabla 30. Costo mensual de cada mes.
Mese Costo mensual
(UDS)
Costo mensual menos
30% de generación (UDS) Ahorro (UDS)
Enero 3421,018682 2854,392642 566,6260395
Febrero 3629,331505 3016,30307 613,0284351
Marzo 3203,639988 2708,367307 495,2726809
Abril 3181,44221 2662,363361 519,0788493
Mayo 3597,937796 3051,355996 546,5817998
Junio 3754,874384 3233,090914 521,7834701
Julio 3880,264722 3340,904212 539,3605103
Agosto 4017,76208 3432,001023 585,7610572
Septiem
bre 2898,564182 2392,152489 506,4116926
Octubre 3100,860801 2589,682083 511,1787179
Noviemb
re 3791,739172 3209,183643 582,5555294
Diciemb
re 3585,592022 2981,950824 603,6411984
Total 42063,02754 35471,74756 6591,279981
77
6.8. ANÁLISIS DE LA RENTABILIDAD TIR Y VAN.
6.8.1. VAN (VALOR ACTUALIZADO NETO)
Permite obtener el valor actualizado del flujo de caja producidas para futuras de la
inversión.
Condiciones del VAN para toma de decisiones.
a. VAN > 0; La inversión produce ganancia, el proyecto es rentable.
b. VAN < 0; La inversión no produce ganancia, el proyecto no es rentable.
c. VAN = 0; La inversión no produce ganancia ni perdida, depende de la
persona.
6.8.2. TIR (TASA INTERNA DE RETORNO)
Es el promedio geométrico del rendimiento esperado a futuro de la inversión, el
resultado r viene hacer el costo de oportunidad del proyecto.
Condiciones de la TIR para toma de decisiones.
a. TIR > r; La razón del proyecto tiene rentabilidad mayor que la rentabilidad
mínima requerida, se acepta.
b. TIR < r; La razón del proyecto tiene rentabilidad menor que la rentabilidad
mínima requerida, no se acepta.
El costo de implementación de cada sistema ayudara a encontrar estrategias
adecuadas para llevarlo a cabo, la inversión inicial se lo realizo con una
aproximación de del 30% más del costo de los equipos por concepto de instalación.
6.8.3. INGRESOS Y EGRESOS DEL SISTEMAFOTOVOLTAICO.
Egresos fijo.
Como estimación del egreso fijo se establece un 30% de incremento al costo de
los equipos por el concepto de gastos de mano de obra, cables, e infraestructura, para
la instalación, dado que en estudios realizados se obtiene un incremento del 24% al
costo de los equipos (Galarza C y Sánchez Ó 2013).En la tabla 31 se presenta el
costo total del sistema, el cual representa el 90% de la generación de todo el sistema
fotovoltaico como egreso fijo.
78
Tabla 31. Costo del sistema fotovoltaico.
Costo total de equipos. (UDS)
Sistema fotovoltaico. 58.850,0
30% Costo de mano de obra y
materiales
17.655,0
Costo total de los sistemas 76.505,0
Egresos por año.
A partir de la implementación de los sistemas se requiere realizar un
mantenimiento semestral, lo cual está entre el 0.5% del costo de los sistemas
fotovoltaico y mini eólico.
Tabla 32. Costo por mantenimiento de los sistemas fotovoltaico y mini eólico.
Costo mantenimiento (UDS)
Costo semestral 382,525
Costo anual 765,00
Ingresos.
Por el concepto de ingresos anuales tendremos el costo anual de energía que se
deja de percibir de la red eléctrica convencional de la EERCS.
Tabla 33. Costo de energía por año que se deja de percibir.
Costo de energía por año que se deja de percibir (UDS)
Costo anual 5.932,15
Costo mantenimiento anual -765,05
Ingresos por año. 5.167,10
Análisis del TIR y VAN del sistema fotovoltaico.
Tabla 34. Análisis del TIR y el VAN
Tipo de interés 0,00% 15,91%
VAN $ 12.477,25 -$ 43.290,59
TIR 1,95% 1,95%
Rentabilidad NO Rentable NO Rentable
Mediante el análisis del VAN y el TIR la implementación del sistema no es
rentable, ya que para un tipo de interés del 0% se obtiene una tasa de interés de
79
retorno del (TIR) 1.95% lo cual no supera el valor de la tasa referencia de 4.53%
emitida por el Banco Central del Ecuador. (BCE 2014), de la misma manera para un
tipo de interés máximo de consumo del 15.91% emitido por el Banco Central del
Ecuador (BCE 2014) la TIR no supera la tasa referencial.
6.8.4. INGREOS Y EGRESOS DEL MINI EÓLICO.
Egresos fijo.
Como estimación del egreso fijo se establece un 50% de incremento al costo de
los equipos por concepto de gastos de instalación mano de obra y cables y gastos
varios para la instalación en base a estudios y la instalación de generador micro
eólico (Pinos W 2015). En la tabla 35 se presenta el costo total del sistema
fotovoltaico como egreso fijo.
Tabla 35. Costo del sistemas mini eólico.
Costo total de equipos. (UDS)
Sistema mini eólico. 10.400,0
50% Costo de mano de obra y
materiales
5.200.0
Costo total del sistemas 15.600,0
Egresos por año.
A partir de la implementación de los sistemas se requiere realizar un
mantenimiento semestral, lo cual está entre el 1% del costo de los sistemas
fotovoltaico y mini eólico.
Tabla 36. Costo por mantenimiento de los sistemas fotovoltaico y mini eólico.
Costo mantenimiento (UDS)
Costo semestral 156,0
Costo anual 312,0
Ingresos.
Por el concepto de ingresos anuales tendremos el costo anual de energía producida
menos el mantenimiento del sistema, este valor no supera el 1% del producción total
de energía de la suma de los dos sistemas.
Tabla 37. Costo de energía por año del sistema
80
Costo de ingresos de energía por año (UDS)
Costo anual básico 65,91
Costo anual 312
Costo de ingreso por año. -377,91
Análisis del TIR y VAN del sistema mini eólico.
Tabla 38. Análisis del TIR y el VAN
Tipo de interés 0,00% 15,00%
VAN -$ 14.611,35 -$ 15.214,60
TIR -23,62% -23,62%
Rentabilidad NO Rentable NO Rentable
Mediante el análisis de estimación del VAN y la TIR se determina que la
implementación del sistema no es rentable, ya que para un tipo de interés del 0% se
obtiene una TIR negativa de -23,62 % con estas condiciones no es rentable y además
no supera el valor de la tasa referencia de 4.53% emitida por el Banco Central del
Ecuador. (BCE 2014), de la misma manera para un tipo de interés del 15.91% como
tasa máxima de consumo emitido por el Banco Central del Ecuador (BCE 2014) es
negativa.
6.8.5. INGREOS Y EGRESOS TOTAL DEL SISTEMA.
Egresos fijo.
En la tabla 39 se presenta el costo total de los sistemas como egreso fijo.
Tabla 39. Costo total de los sistemas.
Costo total del sistema. (UDS)
Sistema fotovoltaico. 76.505,0
Sistema mini eólico. 15.600,0
Costo total de los sistemas 92.105,0
Egresos por año.
Tabla 40. Egreso total del sistema
Egresos (UDS)
Sistema fotovoltaico. 765,0
Sistema mini eólico. 312,0
Total egresos 1.077,0
81
Ingresos.
Por el concepto de ingresos anuales tendremos el costo anual de energía producida
menos el mantenimiento de los sistemas.
Tabla 41. Costo de energía por año
Costo de energía por año (UDS)
Costo anual básico 6.591,279981
Costo anual 1.077,0
Costo energía por año. 5.514,2799
Mediante el análisis del VAN y el TIR la implementación de del sistema no es
rentable, debido al alto costo de inversión y su baja rentabilidad.
Tabla 42. Análisis del TIR y el VAN
Tipo de interés 0,00% 15,00%
VAN $ 6.764,20 -$ 53.563,35
TIR 0,90% 0,90%
Rentabilidad NO Rentable NO Rentable
Mediante el análisis de estimación de la TIR para implementación de del sistema
no es rentable, ya que para un tipo de interés del 0% se obtiene una TIR negativa de
0,90 % con estas condiciones no es rentable y además no supera el valor de la tasa
referencia de 4.53% emitida por el Banco Central del Ecuador. (BCE 2014), de la
misma manera para un tipo de interés del 15.91% como tasa máxima de consumo es
negativa.
82
7. CONCLUSIONES
Mediante los datos climáticos obtenidos del INER UPS sede Cuenca se ha
determinado los meses de mayor y menor irradiancia solar, así como los de mayor y
menor presencia de viento; durante el año 2015 para de esta manera poder determinar
la factibilidad de producción de potencia por los sistemas fotovoltaicos y eólicos. En
este sentido la irradiancia mínima se obtiene durante el mes de julio con un valor de
304.30 W/m2, mientras que la máxima irradiancia se obtiene durante el mes de
febrero con un valor de 396 W/m2.
Además se determinó un promedio diario de horas de sol con mayor incidencia,
dando un promedio de 4.2 horas de sol en el día, el cual nos permitirá dimensionar el
sistema FV.
A su vez el modelo de simulación para la integración de recursos distribuidos
implementado nos permite conocer el mes de mayor irradiancia solar durante un
determinado año, y así poder determinar cuál es la potencia promedio mensual
durante ese mes. Tomando en cuenta el mes de febrero de 2015, como ejemplo para
generación distribuida, la potencia promedio producida por el sistema fotovoltaico
fue de 9.7 kW, considerando una instalación de 105 paneles fotovoltaicos de 230 W,
en 5 arreglos de 3 paneles en serie por 7 paneles en paralelo; mientras que la
producción de potencia eólica fue de 2.09 kW empleando para este fin 4
aerogeneradores de 2kW de la marca ouyad.
En cuanto a la producción de energía el sistema distribuido conformado por la
parte fotovoltaica y eólica produce un promedio de 94.44 kWh durante el mes de
febrero del año 2015, la misma que representa la máxima producción energética
mensual durante el año ya que este mes fue el de mejores condiciones climáticas con
respecto a irradiancia solar; mientras que durante el mes de julio la producción
energética fue de 63.93 kWh, representando el nivel más bajo de energía producida
por el sistema, dado que durante este mes se tienen las condiciones climáticas más
desfavorables del año.
Dentro del sistema de generación distribuida propuesto para la Universidad
Politécnica Salesiana el sistema de mayor aporte energético es el fotovoltaico, no así
el sistema eólico el cual produce una potencia promedio de 2.09 kW durante el mes
83
de febrero del año 2015, dado que la velocidad promedio del viento en las
inmediaciones de la UPS es de aproximadamente 5.64 m/s.
El modelo de simulación propuesto también permite conocer la potencia promedio
diaria producida por los sistemas fotovoltaico y eólico, estableciendo de esta manera
que el sistema fotovoltaico durante el mes de mayor irradiancia produce una potencia
superior a 15 kW en un periodo de tiempo que va desde las 10h00 hasta las 16h00;
de igual manera se obtiene la potencia eólica producida durante el mismo mes, dando
como resultado una potencia superior a 3 kW en un periodo de tiempo comprendido
entre las 12h00 y las 19h00.
El generador diésel dentro del modelo de simulación ha sido implementado como
un sistema auxiliar, a fin de garantizar la producción promedio de energía generada.
El modelo de simulación que se ha implementado en Simulink de Matlab permite
dimensionar los sistemas fotovoltaico y eólico así como los niveles de potencia y
energía que se pueden generar a basa de las condiciones climáticas de la zona, para
de esta manera determinar si un determinado proyecto es viable y rentable.
El modelo de simulación finalmente nos permite conocer los niveles de CO2 que
se emiten a la atmosfera. En este sentido se ha realizado un análisis en el cual se ha
determinado que la emisión de CO2 durante el mes de febrero fue de 20.90 Ton, por
concepto de potencia consumida de la red eléctrica convencional, mientras que la
emisión de CO2 por el sistema de generación distribuida fue de 12.78 Ton; por tal
motivo si se deja de consumir un porcentaje de energía de la red eléctrica
convencional, y el mismo es aportado por el sistema de generación distribuido, se
obtiene una reducción de CO2 que va de 20.90 Ton a 8.12 Ton.
Con los niveles de energía eléctrica producida por el sistema de generación
distribuido se determina que el costo anual aproximado que la Universidad
Politécnica Salesiana Sede Cuenca ahorraría es de 6.591,27$.
Realizando el análisis del TIR y VAN para la implementación del sistema de
generación distribuida que solo conste con producción fotovoltaica encontramos que
la tasa interna de retorno es 1.95, lo que indica que la implementación no es rentable,
84
ya que dicho valor no supera el 4.53 de la tasa de interés de referencia establecida
por el Banco Central del Ecuador.
De igual manera se realizó el análisis de tasa interna de retorno considerando que
el sistema de generación distribuida solo conste de la parte eólica, y se obtuvo un
valor de -23.62 lo que indica claramente que el sistema no es rentable.
85
8. RECOMENDACIONES.
Para un correcto uso del modelo de simulación para la integración de recursos de
generación distribuida, los factores climáticos y datos de la potencia consumida por
la edificación, deben estar colocados de la forma establecida en el Anexo 6.
Las muestras de los factores climáticos como irradiancia, temperatura y velocidad
de viento deben estar tomados en periodos de una hora.
Se debe tener en cuenta que la potencia y energía producidas están contabilizadas
en periodo de ocho horas diarias, por lo cual para establecer la generación mensual se
deberá multiplicar por el número de días del mes correspondiente a la simulación.
Si los modelos de paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, generador diésel, o
inversores no constan dentro del modelo de simulación, estos pueden ser cargados
manualmente por parte del operador.
Para trabajos futuros se recomienda realizar el estudio de un sistema de
generación con biomasa a partir de desechos agrícolas para de esta manera poder
eliminar el sistema a diésel de la generación distribuida presentada en este trabajo.
Realizar el estudio del potencial eólico donde se encentra emplaza la Universidad
Politécnica Salesiana sede Cuenca.
86
9. REFERENCIAS
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89
Anéxos.
90
10. ANEXOS.
10.1. ANEXO 1.
91
10.2. ANEXO 2.
92
10.3. ANEXO 3.
93
10.4. ANEXO 4.
10.5. ANEXO 5.
10.5.1. CÁLCULO DE MÓDULOS EN SERIE Y PARALELO
Numero de módulos.
86,74083 (kWh).
29.7V
7.69 A
, 4.16h
85%
( )
Remplazando en la ecuación tenemos:
Para una energía diaria estimada de 86,74083 (kWh) se requiere 107 paneles.
94
, =96Vcc
, = 52 Icc
95
10.6. ANEXO 6.
Modelos en que deben ser ingresados los datos de factores climáticos y potencia
consumida por la edificación.